CN107436373A - 一种用于测试探针氧化的磨针清针系统及方法 - Google Patents

一种用于测试探针氧化的磨针清针系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测试探针卡探针氧化的磨针清针系统及方法。所述系统包括：探针测试单元，包括探针卡和设置于所述探针卡中的突出的探针；成像分析单元，包括设置于所述探针卡基板上的若干成像器件，成像器件对准所述探针的针尖，用于对所述探针进行成像并对所述探针的灰度进行分析；磨针清针单元，包括磨针设备和若干气体清洁设备，其中气体清洁设备正对所述探针，用于喷射气体清除所述探针上的杂物；控制单元，分别与所述成像分析单元和所述磨针清针单元通讯，用于控制所述成像分析单元对所述探针成像并进行灰度分析，控制所述磨针设备进行磨针处理，和控制所述气体清洁设备中气体的通断。本发明保证了测试效率，延长了针卡的使用寿命。

Description

一种用于测试探针氧化的磨针清针系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种用于测试探针卡探针氧化的磨针清针系统及方法。
背景技术
集成电路制造技术是一个复杂的工艺，技术更新很快。随着半导体技术的不断发展，器件的关键尺寸越来越小，正是由于关键尺寸的减小才使得每个芯片上设置百万个器件成为可能。
半导体器件在制备过程中或者制备完成后需要对半导体器件进行检测，例如晶圆可接受测试(WAT)/晶圆测试(CP)等测试。
目前在实验室以及量产芯片的晶圆测试(CP)测试中，用到的探针卡在多次降落碰触(touch down)后，探针卡上的探针会逐步被氧化，同时被焊盘上的铝屑以及晶圆上的杂物所粘附，特别是在高温测试环境以及探针要通过大电流的情况下，氧化情况会加速。这对一些精确测试，特别是对整个测试环境中接触电阻很敏感的电流测试，高速测试项目的结果造成严重影响。
目前解决这类问题的方法如下：
1、当发现测试数据异常时，暂停测试，取下探针卡，并在显微镜下确认问题后，做清针处理，或者将针卡放回探针台做机械磨针处理。
2、还有一种方法，为了不影响测试效率，就设定探针台(probe station)定时做磨针处理，频繁的磨针会损失探针卡的使用寿命，特别是比较贵重的探针卡，损失还是比较严重的。
因此目前针对探针被氧化的问题虽然具有上述两种处理方法，但是各自都存在很多弊端。如何在CP测试中解决这一个问题，保证测试数据的稳定可靠，延长针卡的使用寿命，成为目前亟需解决的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明为了克服目前存在问题，提供了一种用于测试探针氧化的磨针清针系统，所述系统包括：
探针测试单元，包括探针卡和设置于所述探针卡中的突出的探针，用于晶圆测试；
成像分析单元，包括设置于所述探针卡基板上的若干成像器件，所述成像器件对准所述探针的针尖，用于对所述探针进行成像并对所述探针的灰度进行分析；
磨针清针单元，包括磨针设备和若干气体清洁设备，其中所述气体清洁设备正对所述探针，用于喷射气体清除所述探针上的杂物；
控制单元，分别与所述成像分析单元和所述磨针清针单元通讯，用于控制所述成像分析单元对所述探针成像并进行灰度分析，控制所述磨针设备进行磨针处理，和控制所述气体清洁设备中气体的通断。
可选地，所述成像器件与所述气体清洁设备组装为一体。
可选地，所述成像器件和所述气体清洁设备均匀对称地设置于所述探针的四周。
可选地，所述气体清洁设备设置有扁平的喷嘴，以喷射高压气体。
可选地，所述成像分析单元根据每个探针的标定区域内像素的平均值和权重，计算所述探针的标定区域内所述探针的像素加权平均值，以得到所述探针的所述灰度，并和设定的灰度阈值进行比较，判断所述探针是否异常。
可选地，所述控制模块设置有现场可编程门阵列，并且可与设置于测试系统中的自动化测试设备进行通讯，以对所述磨针清针系统进行控制。
可选地，所述成像器件包括CMOS图像传感器，并通过成像导缆线与所述控制单元连接。
本发明还提供了一种用于测试探针氧化的磨针清针方法，所述方法包括：
对所述探针进行成像，以得到所述探针的图像；
对所述图像进行分析，以得到所述探针的灰度；
判断所述灰度是否大于灰度阈值，当所述探针的灰度大于所述灰度阈值时，对所述探针进行磨针和/或气体清针处理。
可选地，对所述图像进行分析，以得到所述探针的灰度的步骤包括：
调整标定探针针尖的所述图像和计算区域；
根据芯片管脚经过的电流值标定所述探针针尖的所述灰度的计算权重；
根据所述权重计算清洁的未氧化物的探针针尖的标准灰度；
对所述探针进行成像同时计算所述探针针尖的所述灰度。
可选地，对所述探针进行磨针和/或气体清针处理之后重新判断所述灰度是否超过灰度阈值，若仍超过所述灰度阈值，则重复所述成像、磨针清针步骤，至所述探针灰度低于所述灰度阈值或至磨针次数达到磨针次数上限为止。
本发明所要解决的技术问题是利用现在比较成熟的CMOS摄像头技术，设计图像处理算法，利用厂务的气体资源建立一个实时的闭环反馈系统，把这套系统通过通用接口总线(General-Purpose Interface Bus，GPIB)、LAN或者USB连接到自动化测试设备(Automatic Test Equipment，ATE))机台的测试流程中，实时的对探针卡的针尖做监控处理，当发现探针的异常情况时，包括过度氧化，附着铝屑等杂物时，主动的在测试过程中，对探针台(probe station)发出磨针命令，探针台(probe station)对针卡做磨针处理，同时驱动气体清洁装置对针尖做清洁处理。不需要暂停整个测试流程，保证了测试效率，同时也不会对针卡做过度的磨针处理，延长了针卡的使用寿命。同时该系统为可重用系统。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
图1为本发明所述磨针清针系统中所述测试探针卡的侧视图；
图2为本发明所述磨针清针系统中所述测试探针卡的俯视图；
图3为本发明所述磨针清针系统的结构示意图；
图4为本发明所述磨针清针系统的硬件结构示意图；
图5为本发明所述磨针清针方法的工艺流程图；
图6为本发明所述磨针清针系统中所述气体清洁装置的结构示意图；
图7为本发明所述磨针清针系统中探针的结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
实施例一
为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种用于测试探针卡探针氧化的磨针清针系统，所述系统包括：
探针测试单元，包括探针卡和设置于所述探针卡中的突出的探针，用于晶圆测试；
成像分析单元，包括设置于所述探针卡基板上的若干成像器件，所述成像器件对准所述探针的针尖，用于对所述探针进行成像并对所述探针的图像的灰度进行分析；
磨针清针单元，包括磨针设备和/或若干气体清洁设备，其中所述气体清洁设备正对所述探针，用于喷射气体清除所述探针上的杂物；
控制单元，分别与所述成像分析单元和所述磨针清针单元通讯，用于控制所述成像分析单元对所述探针成像并进行灰度分析，控制所述磨针设备进行磨针处理，和/或控制所述气体清洁设备中气体的通断。
其中，如图1和图2所示，在所述探针测试单元中，包括探针卡基板3，以及设置于所述探针卡基板3上的连接器，用于与所述探针卡电连接，在所述探针卡基板3的正面还设置有金属加强圈2，在所述探针卡基板3的背面设置有露出的探针针尖4，用于对芯片进行检测，其中所述探针针尖4通过探针绝缘套管6、和耐高温陶瓷5和耐高温环氧树脂7固定于所述探针卡基板3上。
其中，为了对所述探针进行检测，在所述探针卡基板上的若干成像器件9，用于对所述探针进行成像并对所述探针的图像的灰度进行分析。
具体地，如图3所示，根据具体需求在探针卡的不同方向，安装成像器件9，例如CMOS成像模组，调节好CMOS成像模组的成像角度与焦距，使其能够清晰的对探针卡的针尖成像，如图7所示。
其中，所述CMOS成像模组的导缆线10，和控制设备连接13，以控制CMOS成像模组的成像，图像的传输。
进一步，所述气体清洁设备正对所述探针，例如所述清洁设备8能够对准探针卡的针尖，可选地，所述从结构中上看成像器件9和所述清洁设备8是镶嵌在一块的，具有相同的方向性。当然成像器件9和所述清洁设备8也可以分开单独使用。
可选地，所述成像器件和/或所述气体清洁设备均匀对称的设置于所述探针的四周，如图3所示，例如上下左右。
可选地，所述成像器件和/或所述气体清洁设备最多包括四组，如何配置可以根据产品的特性配置。
进一步，所述清洁设备8采用了扁平的鸭式布局，如图6所示，可以把清洁针尖的气体压缩在更宽更低的范围内喷射出，吹落针尖上的杂物。
其中，气体清洁设备8的导缆线11与控制设备13连接。
可选地，控制设备13，是基于现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)的嵌入式系统控制平台，控制CMOS成像模组的成像，图像的传输，气体的释放与关闭。
其中，所述成像分析单元和所述清针磨针单元安装在自动化测试设备(ATE)机台上，所述机台安装有计算机(PC)软件系统，通过通讯信号14于其他设备连接。
其中，在所述成像分析单元中根据每个探针的标定区域内像素的平均值和权重，计算所述探针的标定区域内所述探针的像素加权平均值，以得到所述探针的所述灰度，并和设定的阈值进行比较，判断所述探针是否异常。
具体地，在控制设备中包含所述成像分析单元的软件系统16，根据CMOS成像模组的成像17显示，图中显示了9根探针的情况，附图为针尖18的影像，可以手工标定针尖的计算像素范围，每根探针的计算像素范围一致，通常为圆形区域，也可以通过软件切换成方形，同时可以计算区域内像素的均值，方差，直方图。
由于每根探针上流过的电流不一致，氧化速度也不一样，根据测试文档了解到相关信息，设定不一样的权重，最后根据如下公式(I)算出所有标定探针像素计算区域内的灰度平均值，其中ai为每根探针的权重，pi为每根探针标定区域像素的平均值PT为所有可视探针灰度经过加权的平均值。
其中，软件系统会标定新的未使用探针卡，也就是未被氧化、污染的探针卡针尖PT值Por，根据以往经验和测试需求设定阀值Pth，如果超过阀值根据测试流程进行相应的气体清针、磨针处理。软件系统可以设置为独立运行的软件，和ATE软件共享基础数据脚本，也可以做为格式为lib的文件，被ATE的测试软件环境调用。
探针卡针尖图像灰度的定义采用0到255的8位(bit)灰度。未被氧化、污染的探针灰度值一般是较小的值，在加强对比度的情况下可以到0，随着探针卡使用次数的增加会被逐步氧化，加上一些铝屑、污物的附着，灰度值会逐步增加，达到100以上或者更高。所以具体阀值Pth的选择要视具体被测试芯片对寄生电阻的敏感程度而定。可以根据每种产品，具体定义针对该产品的阀值，最终根据各种产品产生一个查找表格。
进一步，所述控制设备13可以和自动化测试设备(ATE)通过通用接口总线(General-Purpose Interface Bus，GPIB)、通用串行总线(Universal SerialBus，USB)15两种方式连接，并被安装在自动化测试设备(ATE)上的计算机(PC)软件控制。自动化测试设备(ATE)在做具体测试的过程中，根据计算机(PC)软件16，对针尖氧化情况的灰度图的分析，通过控制设备13，进行气体清洁探针卡或者控制探针台(probe station)对探针卡进行磨针处理。
其中，如图4所示，所述控制设备13的主控芯片是现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)25，和ATE的数据交换可以通过USB2或者GPIB总线，依据ATE的功能方便而决定。FPGA通过CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)控制界面24控制最多4路CIS成像模组22，最多从四个方向上采集针尖的灰度图，具体设置几路CIS成像模组，要视针卡的结构而定。采集到的灰度图像可以经过GPIB或者USB2传输到ATE的计算机26中，并准备做针尖的灰度分析。FPGA通过电磁阀驱动(Electromagnetic Valve driver)23和电磁阀21控制最多4路的气体通断，气体属于压缩空气(CDA)，通过强气流完成对探针卡针尖的清理。
本发明所要解决的技术问题是利用现在比较成熟的CMOS摄像头技术，设计图像处理算法，利用厂务的气体资源建立一个实时的闭环反馈系统，把这套系统通过通用接口总线(General-Purpose Interface Bus，GPIB)、LAN或者USB连接到自动化测试设备(Automatic Test Equipment，ATE))机台的测试流程中，实时的对探针卡的针尖做监控处理，当发现探针的异常情况时，包括过度氧化，附着铝屑等杂物时，主动的在测试过程中，对探针台(probe station)发出磨针命令，探针台(probe station)对针卡做磨针处理，同时驱动气体清洁装置对针尖做清洁处理。不需要暂停整个测试流程，保证了测试效率，同时也不会对针卡做过度的磨针处理，延长了针卡的使用寿命。同时该系统为可重用系统。
实施例二
本发明还提供了一种用于测试探针卡探针氧化的磨针清针方法，所述方法包括：
对探针进行成像，得到所述探针的图像；
对所述图像进行分析，得到所述探针的灰度；
判断所述灰度是否大于灰度阈值，当所述探针的灰度大于阈值时，对所述探针进行磨针和/或气体清针处理。
具体地，如图5所示，对所述图像进行分析，得到所述探针的灰度的步骤包括：
调整标定探针针尖的所述图像和计算区域；
根据芯片管脚经过的电流值标定所述探针针尖所述灰度的计算权重；
根据权重计算清洁的未氧化物的探针针尖的标准灰度；
连接控制COMS成像，气体清洁设备到ATE服务器。
然后进行每颗晶粒的测试。
在所述测试之前首先判断是否是最后一个颗晶粒，若是则结束测试，若不是则继续执行下一颗经历的测试。
在所述测试测试过程中，首先对探针进行成像，成像同时算法计算针尖灰度值。
具体地，在控制设备中包含所述成像分析单元的软件系统16，根据CMOS成像模组的成像17显示，图中显示了9根探针的情况，附图为针尖18的影像，可以手工标定针尖的计算像素范围，每根探针的计算像素范围一致，通常为圆形区域，也可以通过软件切换成方形，同时可以计算区域内像素的均值，方差，直方图。
由于每根探针上流过的电流不一致，氧化速度也不一样，根据测试文档了解到相关信息，设定不一样的权重，最后根据如下公式(I)算出所有标定探针像素计算区域内的灰度平均值，其中ai为每根探针的权重，pi为每根探针标定区域像素的平均值PT为所有可视探针灰度经过加权的平均值。
根据计算的所述灰度值判断灰度值是否超过设定阀值，是否有异常灰度点。若没有的，则进行下一颗晶粒的测试，若存在异常，则保存探针台(probestation)现有状态，抬针，发出气体清针命令，对探针台(probe station)发出自动磨针命令组，磨针次数+1，在磨针完成之后继续判断灰度值判断灰度值是否超过设定阀值，是否有异常灰度点。若没有的，则进行下一颗晶粒的测试，若存在异常，则继续进行磨针和清针，至所述探针灰度低于所述灰度阈值为止。
可选地，在该继续进行磨针和清针的步骤中还可以判断单晶粒磨针次数、总磨针次数是否小于设定值，若小于则继续执行，若达到单晶粒磨针次数、总磨针次数则终止，对发生灰度的原因做进一步的分析。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种用于测试探针氧化的磨针清针系统，其特征在于，所述系统包括：
探针测试单元，包括探针卡和设置于所述探针卡中的突出的探针，用于晶圆测试；
成像分析单元，包括设置于所述探针卡基板上的若干成像器件，所述成像器件对准所述探针的针尖，用于对所述探针进行成像并对所述探针的灰度进行分析；
磨针清针单元，包括磨针设备和若干气体清洁设备，其中所述气体清洁设备正对所述探针，用于喷射气体清除所述探针上的杂物；
控制单元，分别与所述成像分析单元和所述磨针清针单元通讯，用于控制所述成像分析单元对所述探针成像并进行灰度分析，控制所述磨针设备进行磨针处理，和控制所述气体清洁设备中气体的通断。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像器件与所述气体清洁设备组装为一体。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述成像器件和所述气体清洁设备均匀对称地设置于所述探针的四周。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体清洁设备设置有扁平的喷嘴，以喷射高压气体。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像分析单元根据每个探针的标定区域内像素的平均值和权重，计算所述探针的标定区域内所述探针的像素加权平均值，以得到所述探针的所述灰度，并和设定的灰度阈值进行比较，判断所述探针是否异常。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块设置有现场可编程门阵列，并且可与设置于测试系统中的自动化测试设备进行通讯，以对所述磨针清针系统进行控制。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像器件包括CMOS图像传感器，并通过成像导缆线与所述控制单元连接。
8.一种用于测试探针氧化的磨针清针方法，其特征在于，所述方法包括：
对所述探针进行成像，以得到所述探针的图像；
对所述图像进行分析，以得到所述探针的灰度；
判断所述灰度是否大于灰度阈值，当所述探针的灰度大于所述灰度阈值时，对所述探针进行磨针和/或气体清针处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述图像进行分析，以得到所述探针的灰度的步骤包括：
调整标定探针针尖的所述图像和计算区域；
根据芯片管脚经过的电流值标定所述探针针尖的所述灰度的计算权重；
根据所述权重计算清洁的未氧化物的探针针尖的标准灰度；
对所述探针进行成像同时计算所述探针针尖的所述灰度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述探针进行磨针和/或气体清针处理之后重新判断所述灰度是否超过灰度阈值，若仍超过所述灰度阈值，则重复所述成像、磨针清针步骤，至所述探针灰度低于所述灰度阈值或至磨针次数达到磨针次数上限为止。
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